 |
 |
|
 |
|
|
УЛЬТРАЗВУК |
| Большая советская энциклопедия (БЭС) |
упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5— 2 104 гц (15—20 кгц) и до 109 гц (1 Ггц), область частот У. от 109 до 1012-13 гц принято называть Гиперзвуком. Область частот У. можно подразделить на три подобласти: У. низких частот (1,5104—105 гц) — УНЧ, У. средних частот (105 — 107 гц) — УСЧ и область высоких частот У. (107—109 гц) — УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.
Физические свойства и особенности распространения ультразвука. По своей физической природе У. представляет собой Упругие волны и в этом он не отличается от Звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения У. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют 3,410-3—3,410-5 см, в воде 1,510-2—1,5 10-4 см и в стали 510-2— 510-4 см. У. в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием (см. Поглощение звука). Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники У., затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание У. при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны У. на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость У. с и коэффициент поглощения , можно судить о молекулярных свойствах вещества. Этими вопросами занимается Молекулярная акустика. Характерная особенность распространения У. в газах и жидкостях — существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его поглощения (см. Дисперсия звука). Коэффициент поглощения У. в ряде жидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории (см. Релаксация), которая описывает распространение У. в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод — измерение зависимости с и особенно от частоты и от внешних условий (температуры, давления и др.).
Совокупность уплотнений и разрежений, сопровождающая распространение ультразвуковой волны, представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать в оптически прозрачных телах. Малая длина ультразвуковых волн является основой для того, чтобы рассматривать их распространение в ряде случаев методами геометрической акустики (См. Геометрическая акустика). Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства У., как возможность геометрического отражения и преломления, а также фокусировки звука (См. Фокусировка звука) (рис. 1).
Следующая важная особенность У, — возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики (См. Нелинейная акустика). Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением (рис. 2). Скорость акустического течения зависит от вязкости среды, интенсивности У. и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет доли % от скорости У.
К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного У. в жидкостях, относится акустическая Кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой У. и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.), так и вредных (эрозия излучателей У.) явлений. Частоты У., при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области УНЧ. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и др. факторов. В воде на частоте 20 кгц она составляет около 0,3 вт/см2. На частотах диапазона УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью от нескольких вт/см2 может возникнуть фонтанирование жидкости (рис. 3) и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана.
Генерация ультразвука. Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют разнообразные устройства, которые могут быть разбиты на 2 основные группы — механические, в которых источником У. является механическая энергия потока газа или жидкости, и электромеханические, в которых ультразвуковая энергия получается преобразованием электрической. Механические излучатели У.— воздушные и жидкостные Свистки и сирены (См. Сирена) — отличаются сравнительной простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрической энергии высокой частоты, кпд их составляет 10—20%. Основной недостаток всех механических ультразвуковых излучателей — сравнительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет их использовать для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологии и частично — как средства сигнализации.
Основной метод излучения У.— преобразование тем или иным способом электрических колебаний в колебания механические. В диапазоне УНЧ возможно применение электродинамических и электростатических излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли излучатели У., использующие магнитострикционный эффект (см. Магнитострикция) в никеле и в ряде специальных сплавов, также в Ферритах. Для излучения УСЧ и УЗВЧ используется главным образом явление пьезоэлектричества (См. Пьезоэлектричество). Основными пьезоэлектрическими материалами (См. Пьезоэлектрические материалы) для излучателей У. служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, а в диапазоне УНЧ и УСЧ — главным образом различные пьезокерамические материалы. Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник стержневой или кольцевой формы с обмоткой, по которой протекает переменный ток, а пьезоэлектрические — пластинку (рис. 4) или стержень из пьезоэлектрического материала с металлическими электродами, к которым прикладывается переменное электрическое напряжение. В диапазоне УНЧ широкое распространение получили составные пьезоизлучатели, в которых пьезокерамическая пластинка зажимается между металлическими блоками. Как правило, для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности применяются колебания магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов на их собственной резонансной частоте.
Предельная интенсивность излучения У. определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности при генерации У. в области УСЧ чрезвычайно широк: интенсивности от 10-14—10-15 вт/см2 до 0,1 вт/см2 считаются малыми. Для многих целей необходимо получить гораздо большие интенсивности, чем те, которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой У. Так, в фокусе параболоида, внутренние стенки которого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики титаната бария, на частоте 0,5 мгц удаётся получать в воде интенсивности У. большие, чем 105 вт/см2. Для увеличения амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне УНЧ часто пользуются стержневыми ультразвуковыми концентраторами (см. Концентратор акустический), позволяющими получать амплитуды смещения до 10-4 см.
Выбор метода генерации У. зависит от области частот У., характера среды (газ, жидкость, твёрдое тело), типа упругих волн и необходимой интенсивности излучения.
Приём и обнаружение ультразвука. Вследствие обратимости пьезоэффекта он широко применяется и для приёма У. Изучение ультразвукового поля может производиться и оптическими методами: У., распространяясь в какой-либо среде, вызывает изменение её оптического показателя преломления, благодаря чему его можно визуализировать, если среда прозрачна для света. Смежная область акустики и оптики (акустооптика) получила большое развитие, в особенности после появления газовых лазеров непрерывного действия; развились исследования по дифракции света на У. и её различным применениям.
Применения ультразвука. Применения У. чрезвычайно разнообразны. У. служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики — акусто-электроника, на основе достижений которой разрабатываются различные приборы для обработки сигнальной информации в микроэлектронике. У. играет большую роль в изучении вещества. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей и газов, в области изучения твёрдых тел измерение скорости с и коэффициента поглощения используются для определения модулей упругости и диссипативных характеристик вещества. Получила развитие квантовая акустика, изучающая взаимодействие квантов упругих возмущений — Фононов — с Электронами, Магнонами и др. квазичастицами (См. Квазичастицы) и элементарными возбуждениями в твёрдых телах. У. широко применяется в технике, а также ультразвуковые методы всё больше проникают в биологию и медицину.
Применение У. в технике. По данным измерений с и , во многих технических задачах осуществляется контроль за протеканием того или иного процесса (контроль концентрации смеси газов, состава различных жидкостей и т.д.). Используя явление отражения У. на границе различных сред, конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий (например, ультразвуковые толщиномеры), для определения уровня жидкости в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях. У. сравнительно малой интенсивности (до ~0,1 вт/см2) широко используется для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов, крупных отливок, качественного проката и т.д.) (см. Дефектоскопия). Быстро развивается направление дефектоскопии, получившее название акустической эмиссии, которая состоит в том, что при приложении механического напряжения к образцу (конструкции) твёрдого тела он «потрескивает» (подобно тому, как при изгибе «потрескивает» оловянный стержень). Это объясняется тем, что в образце возникает движение дислокаций (См. Дислокации), которые при определённых условиях (до конца ещё пока не выясненных) становятся источниками (так же, как и совокупность дислокаций и субмикроскопических трещин) акустических импульсов со спектром, содержащим частоты У. При помощи акустической эмиссии удаётся обнаружить образование и развитие трещины, а также определить её местонахождение в ответственных деталях различных конструкций. При помощи У. осуществляется Звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние — в световые, оказывается возможным при помощи У. видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. На частотах УЗВЧ диапазона создан ультразвуковой микроскоп — прибор, аналогичный обычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит и том, что при биологических исследованиях не требуется предварительного окрашивания предмета (рис. 5). Развитие голографии (См. Голография) привело к определённым успехам в области ультразвуковой голографии.
Весьма важную роль У. играет в гидроакустике (См. Гидроакустика), поскольку упругие волны являются единственным видом волн, хорошо распространяющимся в морской воде. На принципе отражения ультразвуковых импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения, строится работа таких приборов, как Эхолот, Гидролокатор.
У. большой интенсивности (главным образом диапазон УНЧ) оказывает воздействие на протекание тех или иных технологических процессов (см. Ультразвуковая обработка) посредством нелинейных эффектов — кавитации, акустических потоков и др. Так, при помощи мощного У. ускоряется ряд процессов тепло- и массообмена в металлургии. Воздействие ультразвуковых колебаний непосредственно на расплавы позволяет получить более мелкокристаллическую и однородную структуру металла. Ультразвуковая кавитация широко используется для очистки от загрязнений как мелких (часовое производство, приборостроение, электронная техника), так и крупных производственных деталей (трансформаторное железо, прокат и др.). С помощью У. удаётся осуществить пайку алюминиевых изделий. В микроэлектронике и полупроводниковой технике используется ультразвуковая приварка тонких проводников к напылённым металлическим плёнкам и непосредственно к полупроводникам. С помощью ультразвуковой сварки (См. Ультразвуковая сварка) соединяют пластмассовые детали, полимерные плёнки, синтетические ткани и др. Во всех этих случаях ту или иную роль играет процесс ультразвуковой очистки, локальное нагревание под действием У., ускорение процессов диффузии, изменение состояния полимера. У. позволяет обрабатывать хрупкие детали (например, стекло, керамику), а также детали сложной конфигурации (рис. 6). В этих процессах основную роль играют удары ультразвукового инструмента по частицам абразивной суспензии.
В. А. Красильников.
У. в биологии — биологическое действие У. При действии У. на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению У. в среде. Биологическое действие У., то есть изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них У., определяется главным образом интенсивностью У. и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях У. (до 1—2 вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микро-массаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности У. может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки).
При поглощении У. в биологических объектах происходит преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).
В основе биологического действия У. могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах (См. Биополимеры) и др. жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. У. повышает проницаемость биологических мембран (См. Биологические мембраны), вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу.
Л. Р. Гаврилов.
У. в медицине. У. используется для диагностики, терапевтического и хирургического лечения в различных областях клинической медицины. Способность У. без существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от акустических неоднородностей используется для исследования внутренних органов. Ультразвуковые методы диагностики в ряде случаев позволяют более тонко различать структуру тканей, чем рентгеновские. Так, с помощью У. обнаруживаются опухоли мягких тканей, часто не различимые др. способами. У. применяют в акушерстве для диагностического исследования плода (рис. 7) и беременной женщины, в нейрохирургии — для распознавания опухолей в головном мозге (Эхоэнцефалография), в кардиологии — для изучения гемодинамики, выявления гипертрофии мышцы сердца. Микромассаж тканей, активация процессов обмена и локальное нагревание тканей под действием У. используются в медицине для терапевтических целей (см. Ультразвуковая терапия).
Ультразвуковая хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с разрушением тканей собственно звуковыми колебаниями, а вторая — с наложением ультразвуковых колебаний на хирургический инструмент. В первом случае применяется фокусированный У. с частотами порядка 106— 107 гц, во втором — колебания на частотах 20—75 кгц с амплитудой 10—50 мкм. Ультразвуковые инструменты применяются для рассечения мягких и костных тканей, позволяя при этом существенно уменьшать усилие резания, кровопотери и болевые ощущения. В травматологии и ортопедии У. используют для сварки сломанных костей: при этих операциях костной стружкой, смешанной с жидкой пластмассой, заполняют пространство между костными отломками; под действием У. образуется их соединение.
У. применяется также в биологической и медицинской лабораторной практике, в частности — для диспергирования биологических структур, для относительно тонких воздействий на структуру клеток, при стерилизации инструментов и лекарственных веществ, для изготовления аэрозолей, а также в бактериологии, иммунологии и т.д. для получения ферментов и антигенов из бактерий и вирусов, изучения морфологических особенностей и антигенной активности бактериальных клеток и др.
У. в природе. Целый ряд животных способен воспринимать и излучать частоты упругих волн значительно выше 20 кгц. Так, птицы болезненно реагируют на ультразвуковые частоты более 25 кгц, что используется, например, для отпугивания чаек от водоёмов с питьевой водой. Мелкие насекомые при своём полёте создают ультразвуковые волны. Летучие мыши, имея совсем слабое зрение, или вовсе не имея его, ориентируются в полёте и ловят добычу методом ультразвуковой локации. Они излучают своим голосовым аппаратом ультразвуковые импульсы (рис. 8) с частотой повторения несколько гц и несущей частотой 50—60 кгц. Дельфины излучают и воспринимают У. до частот 170 кгц; метод ультразвуковой локации у них развит, по-видимому, ещё совершеннее, чем у летучей мыши.
Изучением У. и его применением занимается большое количество различных институтов и лабораторий как в нашей стране, так и за рубежом. Такие лаборатории имеются в Акустическом институте АН СССР, институте радиотехники и электроники АН СССР, на физических факультетах МГУ, ЛГУ и др. университетов СССР, в Калифорнийском, Станфордском, Брауновском и др. университетах США, в лабораториях фирмы «Белл систем» в США, в институтах и университетских лабораториях Англии, Японии, Франции, ФРГ, Италии и др. Основные работы по У. печатаются в Акустическом журнале АН СССР, журнале Американского Акустического общества, европейских журналах «Ultrasonics» и «Acustica», а также во многих других физических и технических журналах.
Историческая справка. Первые работы по У. были сделаны ещё в 19 в. Французский учёный Ф. Савар (1830) пытался установить верхний предел по частоте слышимости уха человека; изучением У. занимались английский учёный Ф. Гальтон (1883), немецкий физик В. Вин (1903), русский физик П. Н. Лебедев и его ученики (1905). Существенный вклад был сделан французским физиком П. Ланжевеном (1916), который впервые использовал пьезоэлектрические свойства кварца для излучения и приёма У. при обнаружении подводных лодок и измерениях глубин моря. Г. В. Пирс в США (1925) создал прибор для измерения с большой точностью скорости и поглощения У. в газах и жидкостях (так называемый интерферометр Пирса). Р. Вуд (США) (1927) добился рекордных для своего времени интенсивностей У. в жидкости, наблюдал ультразвуковой фонтан и исследовал влияние У. на живые организмы. Советский учёный С. Я. Соколов в 1928 положил начало ультразвуковой дефектоскопии металлических изделий, предложив использовать У. для обнаружения трещин, раковин и др. дефектов в твёрдых телах.
В 1932 Р. Люка и П. Бикар во Франции, П. Дебай и Ф. В. Сирс в Германии обнаружили явление дифракции света на ультразвуковых волнах, которое далее начинает играть большую роль в изучении структуры жидких и твёрдых тел, а также в ряде технических приложений. В начале 30-х гг. Х. О. Кнезером в Германии было открыто аномальное поглощение и дисперсия У. в многоатомных газах; далее это явление было также обнаружено в ряде сложных (например, органических) жидкостей. Правильное теоретическое объяснение этим релаксационным явлениям было дано в общей форме советскими учёными Л. И. Мандельштамом и М. А. Леонтовичем (1937). Релаксационная теория явилась впоследствии основой молекулярной акустики.
В 50—60-х гг. широкое развитие получают различные промышленные технологические применения У., в разработку физических основ которых в СССР был сделан большой вклад Л. Д. Розенбергом и его сотрудниками. Получение всё больших интенсивностей У. обусловило изучение особенностей распространения мощных волн У. в газах, жидкостях, твёрдых телах; быстро развивается нелинейная акустика, в становлении которой большую роль сыграли работы советских учёных Н. Н. Андреева, В. А. Красильникова, Р. В. Хохлова и др., а также американских и английских учёных.
В 70-х гг., в особенности после работы Хадсона, Мак-Фи и Уайта (США) (1961), обнаруживших явление усиления и генерации У. в пьезополупроводниках, быстро развивается акустоэлектроника.
Лит.: Бергман Л., Ультразвук, пер. с нем., М., 1956; Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1—7, М., 1966—74; Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Розенберга, т. 1—3, 1967—69; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Викторов И. А., Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966; Методы неразрушающих испытаний, под ред. Р. Шарпа, пер. с англ., М., 1972; Ультразвуковое резание, М., 1962; Ультразвуковая технология, под ред. Б. А. Аграната, М., 1974; Эльпинер И. Е. Биофизика ультразвука, М., 1973; Байер В., Дернер Э., Ультразвук в биологии и медицине, пер. с нем., Л., 1958; Interaction of ultrasound and biological tissues. Proceedings of a workshop..., ed. by J. M. Reid and M. R. Sikov, Wash., 1972.
В. А. Красильников.
0291853021.tif
Рис. 4. Излучение (приём) продольных волн L пластинкой, колеблющейся по толщине в твердое тело: 1 — кварцевая пластинка среза Х толщиной /2, где — длина волны в кварце; 2 — металлические электроды; 3 — жидкость (трансформаторное масло) для осуществления акустического контакта; 4 — генератор электрических колебаний; 5 — твёрдое тело.
0273797225.tif
Рис. 7. Звуковое изображение человеческого плода возраста 17 недель, полученное с помощью ультразвука частотой 5 Мгц.
Рис. 6. Фасонные матрицы из твердого сплава, изготовленные ультразвуковым способом.
0255083193.tif
Рис. 8. Ультразвуковой импульс летучей мыши на расстоянии 10 см от ее рта, сфотографированный с экрана осциллографа, частота ультразвука в импульсе 48 кгц.
0212398415.tif
Рис. 1. Фокусировка ультразвукового пучка в воде плосковогнутой линзой из плексигласа (частота ультразвука 8 Мгц).
Рис. 2. Акустическое течение, возникающее при распространении ультразвука частотой 5 Мгц в бензоле.
Рис. 3. Фонтан жидкости, образующийся при падении ультразвукового пучка изнутри жидкости на её поверхность (частота ультразвука 1,5 Мгц, интенсивность 15 вт/см2).
Рис. 5а. Красные кровяные тельца, полученные оптическим микроскопом.
Рис. 5б. Красные кровяные тельца, полученные ультразвуковым микроскопом.
|
| Мультимедийная энциклопедия |
| упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки
и техники. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде
упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц);
колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за
пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу
частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц. Хотя о существовании
ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в
науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас
ультразвук широко применяется в различных физических и технологических
методах. По скорости распространения звука в среде судят о ее физических
характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах
производятся с очень большой точностью; вследствие этого с весьма малыми
погрешностями определяются, например, адиабатические характеристики
быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие
постоянные твердых тел.
Гидролокация. В конце Первой мировой войны появилась одна из первых
практических ультразвуковых систем, предназначенная для обнаружения
подводных лодок. Пучок ультразвукового излучения может быть сделан остро
направленным, и по отраженному от цели сигналу (эхо-сигналу) можно
определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до
цели и обратно, определяют расстояние до нее. К настоящему времени
система, именуемая гидролокатором, или сонаром, стала неотъемлемым
средством мореплавания.
См. также <<ГИДРОЛОКАТОР>>.
Если направить импульсное ультразвуковое излучение в сторону дна и
измерить время между посылом импульса и его возвратом, можно определить
расстояние между излучателем и приемником, т.е. глубину. Основанные на
этом сложные системы автоматической регистрации применяются для
составления карт дна морей и океанов, а также русел рек. Соответствующие
навигационные системы атомных подводных лодок позволяют им совершать
безопасные переходы даже под полярными льдами.
Дефектоскопия. Зондирование ультразвуковыми импульсами применяется
и для исследований свойств различных материалов и изделий из них. Проникая
в твердые тела, такие импульсы отражаются от их границ, а также от
различных инородных образований в толще исследуемой среды, таких, как
полости, трещины и др., указывая на их расположение. Ультразвук
"проверяет" материал, не вызывая в нем разрушений. Такими неразрушающими
методами контроля проверяют качество массивных стальных поковок,
алюминиевых блоков, железнодорожных рельсов, сварных швов машин.
Ультразвуковой расходомер. Принцип действия такого прибора основан
на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно по
потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то
складывается из скорости распространения ультразвука в среде и скорости
потока, то эти величины вычитаются. Возникающая разность фаз импульсов в
двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием,
и в итоге измеряется скорость потока, а по ней и массовая скорость
(расход). Этот измеритель не вносит изменений в поток жидкости и может
применяться как к потоку в замкнутом контуре, например, для исследований
кровотока в аорте или системы охлаждения атомного реактора, так и к
открытому потоку, например реки.
Химическая технология. Вышеописанные методы относятся к категории
маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но
существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой
интенсивности. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный
процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при
повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения
физических и химических свойств среды (см. <<КАВИТАЦИЯ>>). Многочисленные
методы ультразвукового воздействия на химически активные вещества
объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую
ультразвуковой химией. В ней исследуются и стимулируются такие процессы,
как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация,
деполимеризация, ускорение реакций.
Ультразвуковая пайка. Кавитация, обусловленная мощными
ультразвуковыми волнами в металлических расплавах и разрушающая окисную
пленку алюминия, позволяет проводить его пайку оловянным припоем без
флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными
промышленными товарами.
Ультразвуковая механическая обработка. Энергия ультразвука успешно
используется при машинной обработке деталей. Наконечник из
малоуглеродистой стали, выполненный в соответствии с формой поперечного
сечения желаемого отверстия (или полости), крепится твердым припоем к
концу усеченного металлического конуса, на который воздействует
ультразвуковой генератор (при этом амплитуда вибраций составляет до 0,025
мм). В зазор между стальным наконечником и обрабатываемой деталью подается
жидкая суспензия абразива (карбида бора). Поскольку в таком методе режущим
элементом выступает абразив, а не стальной резец, он позволяет
обрабатывать очень твердые и хрупкие материалы - стекло, керамику, алнико
(Fe-Ni-Co-Al-сплав), карбид вольфрама, закаленную сталь; кроме того,
ультразвуком можно обрабатывать отверстия и полости сложной формы, так как
относительное движение детали и режущего инструмента может быть не только
вращательным.
Ультразвуковая очистка. Важной технологической проблемой является
очистка поверхности металла или стекла от мельчайших посторонних частиц,
жировых пленок и других видов загрязнения. Там, где слишком трудоемка
ручная очистка или необходима особая степень чистоты поверхности,
применяется ультразвук. В кавитирующую омывающую жидкость вводится мощное
ультразвуковое излучение (создающее переменные ускорения с частотой до 106
Гц), и схлопывающиеся кавитационные пузырьки срывают с обрабатываемой
поверхности нежелательные частицы. В промышленности используется много
различного ультразвукового оборудования для очистки поверхностей кварцевых
кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников,
снятия заусенец с малогабаритных деталей; применяется оно и на конвейерных
линиях.
Применение в биологии и медицине. То, что ультразвук активно
воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии),
известно уже более 70 лет. Ультразвуковые стерилизаторы хирургических
инструментов применяются в больницах и клиниках. Электронная аппаратура со
сканирующим ультразвуковым лучом служит целям обнаружения опухолей в мозгу
и постановки диагноза, используется в нейрохирургии для инактивации
отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным
(порядка 1000 кГц) пучком. Но наиболее широко ультразвук применяется в
терапии - при лечении люмбаго, миалгии и контузий, хотя до сих пор среди
медиков нет единого мнения о конкретном механизме воздействия ультразвука
на больные органы. Высокочастотные колебания вызывают внутренний разогрев
тканей, сопровождаемый, возможно, микромассажем.
Генерация ультразвуковых волн. Ультразвук можно получить от
механических, электромагнитных и тепловых источников. Механическими
излучателями обычно служат разного рода сирены прерывистого действия. В
воздух они испускают колебания мощностью до нескольких киловатт на
частотах до 40 кГц. Ультразвуковые волны в жидкостях и твердых телах
обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и
пьезоэлектрическими преобразователями.
Магнитострикционные преобразователи. Эти устройства преобразуют
энергию магнитного поля в механическую (звуковую или ультразвуковую)
энергию. Их действие основано на магнитоупругом эффекте, т.е. на том, что
некоторые металлы (железо, никель, кобальт) и их сплавы деформируются в
магнитном поле. Ярко выраженными магнитоупругими свойствами обладают и
ферриты (материалы, спекаемые из смеси окиси железа с окислами никеля,
меди, кобальта и других металлов). Если магнитоупругий стержень
расположить вдоль переменного магнитного поля, то этот стержень станет
попеременно сокращаться и удлиняться, т.е. испытывать механические
колебания с частотой переменного магнитного поля и амплитудой,
пропорциональной его индукции. Вибрации преобразователя возбуждают в
твердой или жидкой среде, с которой он соприкасается, волны ультразвука
той же частоты. Обычно такие преобразователи работают на собственной
частоте механических колебаний, так как на ней наиболее эффективно
преобразование энергии из одной формы в другую. Магнитострикционные
преобразователи из тонкого листового металла работают лучше всего в
низкочастотном ультразвуковом диапазоне (от 20 до 50 кГц), на частотах
выше 100 кГц у них очень низкий КПД.
Пьезоэлектрические преобразователи преобразуют электрическую энергию в
энергию ультразвука. Действие их основано на обратном пьезоэлектрическом
эффекте, проявляющемся в деформациях некоторых кристаллов под действием
приложенного к ним электрического поля. Этот эффект хорошо проявляется у
природного или искусственно выращенного монокристалла кварца или
сегнетовой соли, а также у некоторых керамических материалов (например, у
титаната бария). Переменное электрическое поле частоты желаемого
ультразвука подается через напыленные металлические электроды,
располагающиеся на противоположных гранях образца, вырезанного
определенным образом из пьезоэлектрика. При этом возникают механические
колебания, которые и распространяются в виде ультразвука в сопредельной
жидкой или твердотельной среде. Пьезоэлектрические преобразователи в виде
тонких кристаллических пластинок могут излучать мощные ультразвуковые
волны частотой до 1 МГц (в лабораторных условиях получены частоты до 1000
МГц). Длина ультразвуковой волны (обратно пропорциональная частоте) очень
мала, поэтому из таких волн, как и из световых, можно формировать
узконаправленные пучки. Достоинство керамических пьезоэлектриков состоит в
том, что из них можно отливать, прессовать или получать выдавливанием
преобразователи разных размеров и форм. Такой преобразователь, выполненный
в виде чаши сферического контура, способен сфокусировать ультразвуковое
излучение в малое пятно очень большой интенсивности. Ультразвуковые линзы
фокусируют звуковые волны так же, как лупы фокусируют свет.
Обнаружение и измерения на ультразвуке. Энергия акустического поля
определяется в основном звуковым давлением и скоростью частиц среды, в
которой звук распространяется. Обычно звуковое давление в газах (воздухе)
и жидкостях (воде) имеет порядок 10-3-10-6 давления окружающей среды
(равного 1 атм на уровне моря). Давление ультразвуковой волны превосходит
это значение в тысячи раз и легко обнаруживается с помощью микрофонов в
воздухе и гидрофонов в воде. Разработаны специальные средства измерений
для приема и получения количественных характеристик ультразвукового
излучения, особенно на высоких частотах. Поскольку волны сжатия и
разрежения в газах и жидкостях меняют показатель преломления среды, для
визуализации этих процессов созданы оптические методы. При отражении
ультразвука в замкнутой системе образуется стоячая волна, воздействующая
на излучатель. В устройствах такого типа, называемых ультразвуковыми
интерферометрами, длина волны в среде измеряется с очень большой
точностью, что позволяет получать данные о физических характеристиках
среды. С помощью интенсивного ультразвукового пучка можно оценить и
измерить давление ультразвукового излучения, аналогично тому, как это
делается при измерении светового давления. Это давление связано с
плотностью энергии ультразвукового поля и позволяет простейшим способом
определить интенсивность распространяющейся ультразвуковой волны.
ЛИТЕРАТУРА
Баулан И. За барьером слышимости. М., 1971
Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. М., 1986
Агранат Б.А. и др. Основы физики и техники ультразвука. М., 1987 |
| Современная Энциклопедия |
| УЛЬТРАЗВУК, не слышимые человеческим ухом упругие волны, частоты которых превышают 20 кГц. Ультразвук содержится в шуме ветра и моря, издается и воспринимается рядом животных (летучие мыши, дельфины, рыбы, насекомые и др.), присутствует в шуме машин. Применяется в практике физических, физико-химических и биологических исследований, а также в технике для целей дефектоскопии, навигации, подводной связи, для ускорения некоторых химико-технологических процессов, получения эмульсий, сушки, очистки, сварки и других процессов, в медицине для диагностики заболеваний мозга (эхоэнцефалография), сердца (эхокардиография), исследования плода и др. Основные устройства для генерации ультразвука - пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи. |
| Медицинская энциклопедия |
(син. ультразвуковые колебания)
упругие колебания физической среды с частотой более 20 кгц, не слышимые человеком; используется с диагностическими и лечебными целями. |
| Орфографический словарь Лопатина |
| ультразв`ук, ультразв`ук, -а |
| Словарь Ожегова |
УЛЬТРАЗВ’УК, -а, муж. Не слышимые человеком упругие волны, частоты к-рых превышают 20 кГц.
прил. ультразвуковой, -ая, -ое. |
| Толковый словарь Ефремовой |
[ультразвук]
м.
Не воспринимаемые человеческим ухом упругие колебания, частота которых превышает 20 килогерц. |
| Бренан - Словарь научной грамотности |
Звуковые волны с частотой выше 20 тыс. герц, (Гц). Человеческое ухо способно слышать звук с частотами от 20 до 20 000 колебаний в секунду. Звук с частотой ниже 20 Гц называется ин-фразвуком. Ультразвук высокой интенсивности может применяться для уничтожения насекомых, пастеризации молока и для сверления зубов. В медицине ультразвук часто используется для разрушения опухолей головного мозга, при лечении артрита и диагностировании болезней желчного пузыря, почек, печени и селезенки.
Ультразвуковые методы применяются в настоящее время для дробления камней в почках на мелкие обломки, которые затем могут быть выведены из организма. Этот прием основан на принципе резонанса. Резонанс происходит, когда какой-либо объект приводится в движение звуковыми волнами от внешнего источника, имеющими ту же частоту, что и собственные колебания данного объекта. Когда возникает резонанс, объект испытывает колебания со все возрастающей амплитудой, до тех пор пока - как в случае с камнями в почках - не разрушится. Сканирование ультразвуком производится теперь достаточно точно для выполнения процедуры амниоцентеза при выявлении нарушений позвоночника зародыша в чреве матери и некоторых других серьезных осложнений, которые могут помешать нормальным родам. См. <<ультразвуковое исследование>> (УЗИ). |
|
|
|
 |
Если вы желаете блеснуть знаниями в беседе или привести аргумент в споре, то можете использовать ссылку:
будет выглядеть так: УЛЬТРАЗВУК
будет выглядеть так: Что такое УЛЬТРАЗВУК
|
|
|
|
|
|
 |
|
 |
|
|
